煤礦采空區山體誘發崩塌地質災害形成機理分析及其應用
——以大平煤礦為例

張世峰，鄧麗霞，王傳志

(河南省地質局礦產資源勘查中心，河南省鄭州市，450000)

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，人們生產生活對能源的需求量越來越大。為了充分利用煤炭資源，煤礦企業對礦山進行了多種形式的開采和挖掘。其中，在山體下部進行開采作業會導致山體巖石被破壞，使巖石塊體松散，導致出現危巖及不穩固塊體。采空區一旦受到外界因素的影響，很容易誘發山體崩塌、下滑等地質災害[1-2]。而山體崩塌災害的發生速度較快，大面積巖石會沿著垂直方向墜落，在短時間內就會造成危及面積較大的災難，對周邊居民的生命和財產安全形成極大威脅。因此，針對煤礦采空區山體可能誘發的崩塌地質災害進行相應的形成機理分析，從而作為山體巖石提前防護的依據十分必要[3]。

牛小明等[4]基于地質災害的基本特征，分析了石人嶂礦蓮花山采空區山體崩塌的特點，通過采用無人機遙感建立該區域的地表模型，完成了形成機理分析。然而該方法對形成崩塌災害的主要成因分析未考慮山體崩塌的外部環境主要誘發因素，研究出的崩塌機理實際應用性有待提高；楊忠平等[5]根據山體裂隙及坡體的失穩破壞程度，針對性建立離散元數值模擬，研究采動作用下巖溶山體深大裂隙擴展貫通機理及誘發裂隙的擴展原因，完成了崩塌機理的研究，但該研究未考慮不規則形態的地質單元的力學特征，建立的數值模擬模型未結合破壞準則，因此分析結果上有提升空間；張輝等[6]提出納雍鬃嶺煤礦區高位崩塌災害的機理分析，通過Frictional模型與Voellmy模型模擬崩塌運動特征研究崩塌機理，該分析沒有將邊坡上部危巖塊體、臨空狀態、軟弱結構等作為崩塌災害的主要成因，分析結果也不夠理想。

針對以上研究成果的不足，筆者針對鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司大平煤礦(以下簡稱“大平煤礦”)采空區的山體崩塌災害形成原因進行了深度的研究和分析。首先，根據所選礦山的地質環境和條件進行了實地考察和勘測，并根據該礦山內的采礦活動及年限分析礦山目前的真實地質情況；其次，提取礦山所處環境的各方位影響因素及山體崩塌形成特征，創新地結合破壞準則構建地質災害臨界判別機理分析模型，完成了對礦山山體崩塌形成過程的機理分析；最后，在實際工程中應用該機理分析能有效穩定地質結構并減少崩塌地質災害。

1 大平煤礦采空區工程概況

選擇大平煤礦5號采區(內含采空區)作為工程應用研究區，該研究區山脈相對較高且坡度陡、溝壑深，自然形成坡度通常在50°～ 60°，是典型的構造剝蝕地形，礦體整體呈東高西低特點，西部是一個陡峭的懸崖，下面發育著一條河流，河流最低點對應高度為113 m。研究區所處山體的地質巖層實際狀態如圖1所示。

圖1 研究區所處山體的地質巖層實際狀態

在圖1中，大平煤礦采空區所處山體的上半部分巖層屬于豫北區下二疊統太原組(P1q)，為含不同層位的火山巖型結核狀灰巖，厚度超過50 m；二疊系下統梁山組(P1L)位于中間部分，含有薄層炭黑的碳質頁巖，其中以灰白色中厚層狀巖為主，英砂巖為星點狀黃鐵礦，整體厚度大約為16.4 m；該層還包含泥盆系的上統經四組(D3x)，上層主要分布為厚層狀灰巖體，巖體頂端則為黃綠色相間的薄層狀頁巖，中間部分為灰色層狀泥灰巖和黃綠色薄層狀頁巖，下層部分為灰白細石英砂巖和粉砂巖，整體的厚度約80 m；山體下半部分主要為上統黃家河組(D3h)，上層分布著黃綠相間的頁巖，中層分布著薄層狀的帶云母碎片頁巖，包含發育期的赤鐵礦及對應小晶體，其整體厚度為40.4 m。

在現場勘測過程中發現大平煤礦采空區所在的山體中以巖溶裂縫含水層為主，僅有部分儲水，在水結構的有利部位存在著壓力自流水的分布，富水程度相對不均勻，主要是弱中等富水性，巖體表面存在發育性巖溶，以溶隙、溶蝕槽、落水洞為主要形式，其大小有一定的差別，并且無明顯的空間分布規律。

煤脈存在于山體斷層中，礦脈由偉晶巖、混合巖以及黑云母、花崗巖等多種不同的巖石結構組成，礦山的整體巖石硬度系數在8～10以上。

經過歷史時間推算和考證，該區域從20世紀50年代至今就一直存在煤炭開采活動。該采礦工程的開采方式自上而下共分為9個階段，每個階段的開采高度為22～23 m，斜向長度為60 m，沿著煤層走向進行相應布置，開采幅度寬為1.5 m，煤礦空采頂柱高2 m，底柱高3 m，留取不規則礦柱輔助人工漿砌廢石柱作為頂板支護，針對頂板碎裂較為嚴重的采場，已預留出足夠數量的礦柱，另外通過錨桿進行維護。在2019年底，上部分的7個分段基本開采完畢，第8個分段約開采4/5，第9個分段僅完成個別礦房的開采。2017-2019年，山體斷層部分的下部礦房頂板存在明顯的下滑痕跡，下滑距離大約30 cm，煤柱由于受到塊體間接牽引而發生剝落。

2 采空區山體崩塌破壞特征和影響因素

2.1 山體崩塌破壞特征分析

通過現場勘測和實際巖層比對可以發現，研究區具有以下山體崩塌破壞特征：

(1)研究區山體邊坡上端為長期風化而形成的巖石，顏色特征呈現出土黃色或灰白色，并形成了斷裂斜坡構造。在沿采空方向的軟弱構造面貫通時，受重力或外力的影響，巖體貫通面逐漸出現近似弧形的切向滑動破壞特征。

(2)在風化作用不大的礦井內，由于開挖負載的作用，整個巖體中產生了大量的負荷裂縫，此時不僅巖石之間存在裂縫，巖體內部也存在結構面的裂隙。巖體出現斷裂和體位傾斜情況，分析該巖石已形成危巖具有崩塌破壞特征。

(3)由于煤礦采掘施工不規范，一些邊坡出現下伏基巖被掏空的狀態，形成了不可逆的凹巖現象，在外力作用下斜坡的傾角幾乎垂直于斜坡，產生了負荷裂縫，該斜坡所處凹巖的上部楔形構造面主要控制巖體的整體結構面，該結構面具有較好的支撐作用，但受地心引力及其他動力作用，裂縫逐步擴大并貫穿危險巖石開始變形，具有形成墜落式崩塌地質災害的特征。

(4)研究區內的斜坡為一平坦的臨空巖層，構造面平坦，部分巖石上充填粘土，其強度比一般的斜坡低，屬于容易造成崩塌災害的破壞特征。

(5)山體上大部分巖石均屬于石灰巖一類堅硬的碳酸鹽巖石，從而形成了陡峭的邊坡，節理裂縫較多，侵蝕作用較大，對巖體的完整性造成了嚴重的損害，更容易形成崩塌災害。

2.2 影響誘發因素分析

研究區巖質邊坡滑坡崩塌的主要影響因素為地質環境和外部環境，地質環境影響因素主要包含邊坡的高度、坡度巖體結構、狀態和巖土體特性等，外部環境誘發因素包括降雨、地震和人為因素活動等[7]。

2.2.1 地質環境主要誘發因素

研究區邊坡高度對山體誘發崩塌產生的作用和影響較大。部分高于30 m的坡體容易發生大規模的巖崩，崩塌源頭主要集中在邊坡的上半部分，這一部分受到的風化程度更強，石塊破碎程度更大，容易發生崩塌[8]。

從研究區采空區的邊坡坡度來看，主要采用圈椅式開挖方式直接造成了邊坡的傾斜度較大，高陡峭度是危巖崩塌的主要條件，而凹巖形態也使危巖處于臨空面環境，更容易發生山體崩塌災害。

研究區巖體的組成結構也是內在因素的組成部分，破碎和分散的巖體結構導致其完整性不足，易形成不穩定的塊體。根據勘探結果發現研究區采空區內的邊坡巖體節理裂縫多、完整性差，因風化而形成疏松的巖石，在自然風化或極端環境下，極易導致松散巖塊從巖石母體中脫離并發生山體崩塌災害[9]。

2.2.2 外部環境主要誘發因素

從降雨方面的因素來考慮，強降雨對地質災害的影響較大，降水最密集的時期和地段是崩塌災害頻繁發生的時段[10-12]。大平煤礦所在新密市屬溫帶季風氣候，每年有3個月左右時間處于雨季，降雨量最高能達到1 200 mm。該研究區采空區山體巖石的負荷裂縫較多，且多處于發育期，在雨季雨水很容易滲入其中，進一步瓦解巖層，引起礦山采空區的危巖崩塌災害。

除此之外地震也是引發崩塌坡災害的主要原因，地震作用力會引起巖體的構造狀況發生改變，容易發生危險的巖體坍塌。大平煤礦處于地處華北平原地震帶頻發區域，轄區內的盤谷寺-新鄉斷裂和鳳凰嶺斷裂橫貫東西，容易受到地震誘發。

研究區在進行采礦和施工等相應活動時，很容易破壞已有的壓力均衡，對邊坡的穩定性有不利影響。該采區形成采空區后，仍有個別礦房進行開采，2017-2019年，山體斷層部分的下部礦房頂板存在明顯的下滑痕跡，是打破山體巖石平衡結構的主要誘因。

3 采空區崩塌地質災害臨界判別機理建模研究

分析采空區地形結構的力學特征，結合破壞準則計算破壞準則參數，構建地質災害臨界判別機理分析模型作為采空區崩塌地質災害臨界判別的基礎。

采空區山體后緣除了巖石表面以外，還有多組節理和以上構造面強烈切割而形成的裂縫，在后山巖體中存在一部分破碎且不連續的巖石塊體如圖2所示。

圖2 采空區山體后緣巖石塊體

經過現場細致勘察發現，采空區山體的后沿斜坡陡峭且伴有卸荷開裂發育，裂縫擴展度為0.2～1.0 m，深度為2～7 m。經過分析負荷裂縫是造成這種前緣和后緣分離的主要原因，致使條形或圓柱形危巖懸垂，其底部為穩定性較大的底座巖石[13]。

由于研究區地形結構較復雜，地勢起伏較大，山脈溝壑自然形成坡度通常在50°～60°，且斜坡多為臨空巖層，受到來自山體各方向多向力的作用，結構性質不穩定，容易引發崩塌、滑坡等地質災害。若臨空巖層一旦發生崩塌、滑坡等地質災害，由于其所在的高空位置及其沖擊力，會對周圍環境和生命安全造成不良影響。因此，在分析該區域地質災害臨界判別機理前，需要考慮當地地形結構的力學特征(不規則形態的地質單元)，結合破壞準則，獲得相應的破壞準則參數。將這些參數應用到地質災害臨界判別機理分析模型中，可以更準確地預測地質災害的發生可能性和規模，以此保障判別機理分析模型的全面性與實際應用性。

在上述條件下建立煤礦采空區山體崩塌和礦柱破壞的臨界判別模型。首先假設礦柱的抗壓強度為σ，對應的破壞準則表示見式(1)：

(1)

式中：η1——礦柱受到破壞后的最小面積采空率，%；

N——崩塌面上的正壓力，MPa；

σ——礦柱的抗壓強度，MPa；

S0——煤礦采空區內準崩塌面面積，m2。

山體巖石在發生崩塌時的最小面積采空率主要受到巖體的安全系數影響，并可以根據極限值推導得出式(2)：

(2)

式中：η2——崩塌發生時的面積采空率，%；

F——準崩塌體對應的致滑力，MPa；

A、B——山體巖石材質有關的常數[14-16]。

在得到η1、η2后，根據采空區巖體結構，選擇適用性較強的Mohr-Coulomb破壞準則，分析采空區山體及支撐柱的受力情況，得到破壞準則的力學參數見式(3)和式(4)：

?——巖體在受力載荷超過量S0范圍時的內摩擦角系數；

c——土體力學影響因子；

sint——巖體抗剪切強度值；

u?——采空區巖體壓縮模量；

uζ——采空區巖體彈性模量；

uΦ——采空區巖體形變模量。

利用獲取的破壞準則力學參數，對研究區域受力情況與產生形變、位移的范圍進行全面分析，限定不同時段山體結構變化與受力條件，細化引發地質災害的成因。采空區山體在礦柱破壞之前發生崩塌的條件見式(5)：

η2≤η≤η1

(5)

根據以上條件，采空區崩塌地質災害崩塌的臨界判別模型具體見式(6)：

(6)

式中：α——礦脈發生崩塌的真實傾斜角，(°)。

通過式(5)和式(6)可以證明在采空區某一特定位置存在對應的軟弱層[17-19]，當礦柱的實際礦壓能力滿足式(5)和式(6)條件時，山體巖石可能會發生巖移模式，礦柱發生崩塌，由此完成采空區崩塌地質災害臨界判別機理分析，作為崩塌地質災害形成機理分析的依據。

4 基于模型的大平煤礦采空區崩塌地質災害形成

機理分析

根據以上臨界判別模型和崩塌破壞特征分析，對研究區的崩塌地質災害形成機理進行分析。

4.1 山體的優勢發育機理

煤礦采空區的山體巖層呈110°∠48°，隨著巖層分布會相繼發育出較多的薄軟夾層，將實地勘測的巖層角度等數據輸入地質災害臨界判別機理分析模型中，獲得采空區山體的優勢發育機理分析結果，主要分為3個階段：首先產狀機理的角度維持在295°～310°∠60°～65°之間時[20-21]，間距為3.0～3.5 m，機理延伸長度為15～18 m；當產狀機理角度在210°∠65°時，間距維持在2.0～2.5 m，機理的延伸長度在18～28 m，此時山體巖層機理之間的裂隙延伸長度較大，但能保持平直光滑；當產狀機理角度在155°∠45°之間時，間距將縮小至1.5～3.0 m，此時巖體狀態多呈棱塊狀態，實際完整度相對較差，該階段是引發山體崩塌的階段。這是因為棱塊狀的巖體通常位于坡地或山體中，受到重力和坡度的影響，當坡度較大或受到其他外力作用時，巖體上的應力會累積并超過其抗剪強度。這會導致巖體內部的斷裂擴展和破碎，使棱塊狀態的巖體更容易發生崩塌。

4.2 山體的崩塌發育機理

對山體的崩塌發育機理進行分層分析：山體的上統黃家河組(D3h)部分主要富含鐵砂巖礦，最早開始的露天開采，主要分布于道路東向50 m區域范圍，露采區沿礦體的走向長度為115 m，在高點970 m處形成寬18 m、高20 m的露天采礦坑，分析該礦坑的地質情況可知裂縫主要沿著巖層方向延伸[22]。2000年初期，煤礦開采活動逐漸轉向地下礦井開采模式至今，主要分為1號和2號礦井進行地下橫向開采，因此礦山山體的頂部陸續開始出現4條較大裂縫，寬度為0.8～1.8 m，深度為22～32 m，在巖頂裂隙較大的區域出現較為明顯的彎曲傾覆斷裂破壞痕跡，目前觀測發育深度約為25 m。這是因為巖石體受到構造應力和人為開挖應力的作用，當巖層中存在裂隙時，該區域容易發生應力集中，當應力超過巖石強度時，巖石體會發生斷裂和變形。巖頂裂隙較大是因為巖石受到剪切、抬升或拉伸等力學作用而發生了斷裂。在地下橫向開采應力和重力雙重影響下，巖石體裂縫會斜向擴展和延伸，發生傾斜和斷裂滑動。這種滑動導致了明顯的彎曲傾覆斷裂破壞痕跡的形成。將山體的崩塌發育機理進行分層分解預測，山體崩塌發育剖面分析如圖3所示。

圖3 山體崩塌發育剖面分析

由圖3可知，山體近脈部分存在較為明顯的蝕變分帶，底部的蝕變相對更加強烈。蝕變寬度變化強度較大，大多數保持在0.2～0.3 m左右，也存在幾厘米的小型蝕變。經過蝕變后礦脈上巖石的相對強度發生明顯的降低，致使煤礦采空區產生軟弱夾層，遭受降雨等誘發因素后發生崩塌。這是因為軟弱夾層通常由蝕變作用導致的較弱、不均勻的巖石區域組成。在煤礦開采過程中，這些軟弱夾層往往成為應力集中和失穩的區域，因為它們無法提供足夠的支撐和剛度。在遭受降雨等誘發因素時，由于軟弱夾層的存在，這些區域更容易發生崩塌。當降雨滲入軟弱夾層時，雨水會進一步洗刷沉積物、破壞巖石的完整性，增加巖體的飽和程度。這會導致軟弱夾層的強度降低，進而造成局部崩塌或滑動。由地質層級分析，煤礦脈絡所處的上覆山體被礦脈的幾個斷層從母體巖石中割離出并形成了較大的楔體，在此基礎上又被其他的斷層分別切割成為8塊較小的楔體，對應的采空區斷層結構如圖4所示。

圖4 采空區礦脈斷層巖體結構

圖4中，山體斷層部分的Ⅴ號塊體對應的下部礦房頂板在2017-2019年間存在明顯的下滑痕跡，沿著F0、F6之間的交線逐漸向下傾滑了大約30 cm，一些已存在的煤柱由于受到間接牽引而發生剝落。這是因為斷層活動會導致上盤巖體和下盤巖體之間發生相對位移和滑動。如果下部礦房頂板剛好位于斷層的上盤巖石上，斷層活動和下滑會對礦房頂板造成影響，產生明顯的下滑痕跡。當斷層滑動時，上盤巖體和下盤巖體之間的相對位移會對煤柱施加不均勻的應力。這種應力會導致煤柱發生剪切和變形，最終導致部分煤柱剝落。結構面力學特征參數見表1。

表1 結構面力學特征參數

將上述參數代入地質災害臨界判別機理分析模型中獲得采空區崩塌地質災害分析結果，得出結構面中的F6、F21、F22、F26超出判別臨界值。由上述崩塌地質災害形成機理分析可知，為了有效防止山體的持續滑坡誘發崩塌，應減少并停止該板塊的煤礦開采工作，針對山體實施放頂并通過人工修筑礦柱等方法，增大礦山巖體的接觸面積，提高礦井開采區的應力分布。該工程施工部門根據分析結果，進行了停工和山體加固，目前煤礦采空區的上覆山體基本穩定，沒有繼續出現下滑或是崩塌的跡象。

5 結語

地下采礦容易引起上覆山體的移動，造成山體下沉、崩塌等地質災害，筆者以大平煤礦為例研究了煤礦采空區山體誘發崩塌地質災害形成機理，通過實地考察和勘探，研究實例礦脈的山體結構、地質條件、周圍環境等多方面因素；分析山體崩塌的破壞特征和影響誘發因素；通過量化影響因素指標，結合破壞準則，構建地質災害臨界判別機理分析模型，完成山體崩塌的形成機理分析。筆者分析的機理應用于該礦區改造中，能更好地避免和減少山體誘發崩塌地質災害的發生。